半干法厭氧生物處理高濃度固體廢棄物有機滲濾液的試驗

吳長淋

(上海華勵振環保科技有限公司，上海 200092)

國家統計局統計數據顯示，2006年～2016年,我國生活垃圾清運量從1.5億t/年上升到2億t/年，呈逐年上升趨勢。大量的生活垃圾給城市發展和社會環境造成極大負擔，推行生活垃圾分類收集是實現源頭減量化的根本途徑。上海、北京、廣州、杭州等一些大型城市在垃圾分類收集上出臺了多項政策并取得了一定的成效，以上海為例，推行綠色賬戶，設立生活垃圾分類收集小區試點，將家庭廚房內的有機垃圾單獨收集，分類形成“家庭濕垃圾”(也稱為“家庭廚余”)和“家庭干垃圾”，實現生活垃圾減量化。家庭濕垃圾經過破袋、分選、擠壓等多種前處理手段后，可將濕垃圾分成輕物質組分(再利用或者焚燒)、重物質組分(再利用或者填埋)及大量的高濃度固體廢棄物有機滲濾液(資源化利用)。針對高濃度的固體廢棄物有機滲濾液，主要處理工藝為單獨厭氧生物處理和混合厭氧生物處理[1-2]。

厭氧生物處理工藝根據廢物中有機固體濃度的高低，可以分為干法厭氧消化工藝、半干法厭氧消化工藝和濕法厭氧消化工藝。干法厭氧消化反應器進料的總固體(TS)濃度在20%～40%[3-4]；半干法厭氧消化反應器進料的TS濃度在10%～20%[5-7]；濕法厭氧消化工藝、干法厭氧消化反應器進料的TS濃度通常低于10%，進料要用水作稀釋處理。采用半干法工藝處理高濃度固體廢棄物有機滲濾液，無需對進料進行稀釋處理，具有容積負荷高、占地省、能耗低等優點。

本文采用自制試驗設備，對半干法厭氧生物處理高濃度固體廢棄物有機滲濾液的工藝展開研究，探討了半干法厭氧反應器的快速啟動方式，厭氧反

應器運行的參數控制，最大容積負荷和反應器殘渣特性，為我國分類后生活垃圾預處理形成的固體廢棄物有機滲濾液工程化處理處置提供了技術支撐。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置

半干法厭氧反應器的示意圖如圖1所示。

反應器長度為1 m，圓柱體，圓柱體為雙層結構。內筒直徑為0.25 m，主體是螺旋結構，螺旋片直徑為0.24 m，螺旋間距為0.1 m；外筒直徑為0.35 m，內筒和外筒密閉，中間填充水作為水浴加熱。進料口、出料口、采氣口和取樣口均穿過外筒與內筒連接，進料口、出料口直徑為50 mm，采氣口和取樣直徑為10 mm。氣體從反應器產出后進入濕式流量計，記錄沼氣產量，之后通過40%氫氧化鈉吸收液(定期更新)，進入濕式流量計，記為甲烷產量。定期從出料口和取樣口采樣進行樣品分析。

圖1 固體廢棄物有機滲濾液半干法厭氧反應器示意圖Fig.1 Semi-Dry Anaerobic Reactor

采用接種的方式實現反應器的快速啟動，反應器中直接加入接種物料20 kg，每日加入一定量的高濃度固體廢棄物有機滲濾液，并從出料口排出同等重量的物料，反應器為完全混合型反應器。

1.2 試驗材料

高濃度固體廢棄物有機滲濾液來源于上海市分類后生活垃圾，經分選、擠壓等前處理，固體廢棄物有機滲濾液的性質如表1所示。由表1可知，固體廢棄物有機滲濾液揮發性固體/總固體(VS/TS)

在80%左右，具有較好的可降解物質。通過測試，固體廢棄物有機滲濾液組分以100%計算，可分成4個組成部分。其中80%為可降解性的物質，包括溶解性有機成分38%和固體有機成分42%；另外20%為不可降解物質，包括固體雜質12%(如玻璃等)和惰性的溶解性鹽類8%。

接種物料取自上海某厭氧消化反應器，接種物料的性質如表2所示。固體廢棄物有機滲濾液和接種物料取樣后置于4 ℃保存使用。

表1 固體廢棄物有機滲濾液的性質

表2 接種物料的性質

1.3 試驗方法

試驗測試指標包括pH、ORP、氨氮、凱氏氮、COD、BOD、蛋白質、溶解性總固體、熱酌減率、碳水化合物、粗蛋白、粗脂肪、揮發性脂肪酸、重金屬、產氣量/甲烷氣含量、纖維素/半纖維素/木質素等。測試方法采用國標方法，氨氮和COD采用哈希法測試，重金屬測試采用等離子發射光譜(ICP)測試。

2 結果與討論

2.1 半干法厭氧反應器的快速啟動

本試驗容積負荷和反應器產氣情況如圖2所示。由圖2可知，隨著容積負荷從0.51 g VS/(L·d)到13.44 g VS/(L·d)，產氣量也逐步提高，從4 L/d上升到240 L/d，穩定產氣后，檢測甲烷比例平均值為68%，甲烷比例正常，反應器產氣可直接點燃并自持燃燒。但是隨著負荷進一步從13.44 g VS/(L·d)提高至24.32 g VS/(L·d)，產氣量變得不穩定，呈下降趨勢。

圖2 反應器容積負荷和產氣量Fig.2 Volumetric Loading and Gas Output in Reactor

單位有機質的產氣率(specific biogas production rate，SBP=產氣量/有機質添加量)是描述反應器內微生物狀態的一個重要參數。維持一定的反應器污泥濃度，若SBP數值穩定，表明微生物活性良好；若數值不穩定或者急劇降低，表明出現抑制微生物活性的因素。由圖3的反應器SBP數據分析可知，前100 d，容積負荷從0.51 g VS/(L·d)提升到13.44 g VS/(L·d)，表明SBP平均值為0.77 L/(g VS)，與理論值相當，這一結果顯示加入厭氧反應器的有機組分基本都被降解。但是，隨著負荷進一步從13.44 g VS/(L·d)提高至24.32 g VS/(L·d)，SBP降低至0.4 L/(g VS)左右，呈降低趨勢。在實際工程上，反應器可以通過高比例污泥接種縮短啟動的時間提高容積負荷，但是容積負荷不宜超過13.44 g VS/(L·d)。

圖3 反應器單位有機質的產氣率Fig.3 Specific Biogas Production Rate (SBP) in Reactor

2.2 固體廢棄物有機滲濾液半干法厭氧發酵物料特性

反應器內pH和ORP的檢測數據如圖4、圖5所示，pH值維持在7.4左右，反應器呈中性偏弱堿性，無酸化現象。反應器ORP維持在-459 mV，表明反應器處于良好的厭氧狀態。

反應器出料氨氮和凱氏氮的數據如圖6所示。由圖6可知，氨氮在2 137～3 330 mg/L，通過游離氨計算公式FA=NH3-N×(10^pH)/(EXP[6 334/(273+T))+ 10^pH]得出，游離氨為28～73 mg/L，這與文獻中游離氨抑制濃度較為一致[8]。當容積負荷不斷提高時，若pH不變，氨氮負荷提高，游離氨濃度提高，出現游離氨氮對厭氧菌的抑制，進一步影響有機物的分解，從而影響最終的降解率。

對比氨氮和溶解性凱氏氮的數據可知，二者差值很小，二者差值主要是溶液中的小分子氨基酸貢獻的氮。在良好的厭氧反應器中，小分子有機物很快被厭氧菌利用，所以氨氮和溶解性凱氏氮數據幾乎一致。

圖4 反應器pHFig.4 pH Value in Reactor

圖5 反應器ORPFig.5 ORP Value in Reactor

圖6 反應器出料的氨氮和凱氏氮Fig.6 Ammonia Nitrogen and Kjeldahl Nitrogen of Reactor Discharging

2.3 半干法厭氧發酵最大負荷分析

厭氧發酵的最大負荷與厭氧污泥濃度和物料的特性密切相關。在本試驗中，厭氧污泥濃度控制在23 g/L左右，試驗后期100 d之后，污泥濃度略有提高。

本試驗中，100 d是反應器的轉折點。由圖2、圖6可知，容積負荷從13.44 g VS/(L·d)向上提高時，pH緩慢降低，游離氨濃度接近70 mg/L，單位有機質的產氣率快速降低，SBP平均值由前100 d的0.77 L/(g VS)逐步降低至115 d的0.36 L/(g VS)。由圖5可知，在100 d后，隨負荷上升，ORP有所提升，厭氧程度也下降。故在此試驗中，最大容積負荷為13.44 g VS/(L·d)。

若工程運行，考慮1.2的保險系數，建議工程運行容積負荷為11.2 g VS/(L·d)。

2.4 半干法厭氧發酵反應器底渣分析

厭氧發酵后反應器底部存在殘渣，在工程實踐中，需要定期將殘渣排出，防止反應器堵塞。

反應器底部殘渣實物如圖7所示，主要的組成為塑料片、細玻璃、細石塊、砂礫等。底部殘渣的來源主要包括兩方面：一是前處理過程中透過螺旋擠壓設備的細小雜質(塑料、玻璃、砂礫等)，這一部分雜質可以通過細化預處理措施進一步降低；二是在反應器內部形成的鈣鎂沉淀，如碳酸鈣、碳酸鎂等。底部殘渣在實際工程中難以避免，故在工程設計時，需考慮反應器的底部排渣設計，通過定期排渣防止反應器的堵塞。

圖7 反應器底部殘渣Fig.7 Bottom Residue in Reactor

3 結論

(1)通過接種厭氧微生物，可實現半干法厭氧反應器的快速啟動。

(2)厭氧反應器pH值維持在7.4左右，ORP維持在-459 mV，無酸化現象。隨著反應器容積負荷提高，游離氨濃度提高，出現游離氨氮對厭氧菌抑制，進一步影響有機物的分解，從而影響最終的有機降解率，游離氨濃度宜控制在28～73 mg/L。

(3)反應器在前100 d，容積負荷從0.51 g VS/(L·d)提升到13.44 g VS/(L·d)，SBP平均值為

0.77 L/(g VS);反應器在100 d后，隨著負荷從13.44 g VS/(L·d)提高至24.32 g VS/(L·d)，SBP迅速降低至0.4 L/(g VS)左右。

(4)半干法厭氧反應器最大容積負荷為13.44 g VS/(L·d)。工程上，考慮1.2的安全系數，建議運行容積負荷為11.2 g VS/(L·d)。

(5)厭氧發酵后反應器底部存在殘渣，在工程實踐中，需要定期將殘渣排出，防止反應器堵塞。

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